научная статья по теме УЧАСТИЕ ЦИТОКИНИНОВ В РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА ПРИСУТСТВИЕ КОНКУРЕНТОВ Биология

Текст научной статьи на тему «УЧАСТИЕ ЦИТОКИНИНОВ В РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА ПРИСУТСТВИЕ КОНКУРЕНТОВ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 4, с. 560-570

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

УЧАСТИЕ ЦИТОКИНИНОВ В РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА ПРИСУТСТВИЕ КОНКУРЕНТОВ © 2015 г. Т. Н. Архипова, Л. Б. Высоцкая, Е. В. Мартыненко, И. И. Иванов, Г. Р. Кудоярова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Уфимского научного центра РАН, Уфа Поступила в редакцию 10.04.2014 г.

Сделана попытка выявить участие цитокининов в регуляции устьичной и ростовой реакции растений на присутствие в среде обитания конкурентов. Растения табака (Nicotiana tabacum L.) и салата (Lactuca sativa L.) высаживали по одному или по несколько штук в один вегетационный сосуд. У растений, растущих по два или по три в одном сосуде (т.е. конкурирующих), существенно снижался уровень транспирации, замедлялось накопление массы побега и уменьшалась площадь листьев по сравнению с одиночными растениями. Снижение транспирации и массы растений сопровождалось уменьшением уровня эндогенных цитокининов. При длительном выращивании растений в присутствии конкурентов повышение содержания гормонов в трансгенных растениях табака путем тепловой индукции ipt-гена и инокуляции растений салата продуцирующими цитокинин бактериями Bacillus subtilis ИБ-22 уменьшало степень ингибирования транспирации и подавление роста побега у конкурирующих растений. Таким образом, получены аргументы в пользу вовлеченности цитоки-нинов на поздних стадиях адаптации растений к присутствию конкурентов.

Ключевые слова: Nicotiana tabacum — Lactuca sativa — Bacillus subtilis — рост — конкуренция — цитокинины

Б01: 10.7868/8001533031504003Х

ВВЕДЕНИЕ

Конкуренция между растениями, т.е. соревнование за потребление ресурсов, количество которых ограничено, — один из наиболее важных биотических факторов, от которого зависит их рост и развитие. До недавнего времени редко обсуждались механизмы восприятия сигналов о присутствии конкурентов. Ситуация изменилась, когда была показана роль этиленового сигналинга в опережающем восприятии присутствия соседних растений еще до снижения доступности ресурсов (затенения в результате смыкания листового покрова или возникновения дефицита элементов минерального питания в почве) [1—3].

Изучение сигнальных систем восприятия и реагирования на присутствие конкурентов имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. В современных условиях, когда возможности расширения посевных площадей ограничены, обычно рассматривают увеличение плотности посева как способ повышения урожайности в расчете на единицу площади [4, 5]. Однако пре-

Сокращения: ПВ — полная влагоемкость; ТШ — тепловой шок. Адрес для корреспонденции: Высоцкая Лидия Борисовна. 450054 Россия, Уфа, пр. Октября, 69. Институт биологии Уфимского научного центра РАН. Электронная почта: vysotskaya@anrb.ru

вышение оптимальных значений плотности посева приводит к снижению продуктивности, что связано с ингибированием роста и ускорением старения растений. Для преодоления такого рода последствий и повышения эффективности посевных площадей требуется более полное понимание механизмов реагирования растений на присутствие конкурентов [6]. Хотя данные об участии фитогормона этилена в регуляции ростовой реакции побега на присутствие конкурентов достаточно убедительны [1, 3], сведения о роли других гормонов, в частности ауксинов и АБК, немногочисленны [3, 7].

Ранее нами была показана роль этилена и АБК в быстрой "транспирационной" реакции растений на присутствие конкурентов [3]. Известно, что цитокинины взаимодействуют с АБК в регуляции устьичной проводимости [8]. Однако данные о цитокининах как возможных участниках связанного с конкуренцией сигналинга практически отсутствуют. На основании данных литературы о влиянии цитокининов на рост и развитие растений [9], а также сведений об изменении их уровня в зависимости от доступности макроэлементов и освещенности [10, 11] можно предполагать, что в условиях конкуренции реакция растений на присутствие соседей может быть связана с

изменением уровня цитокининов. Проверка этой гипотезы входила в задачу работы, представленной в данной статье. Нами было изучено влияние конкурентов на транспирацию, рост и содержание цитокининов у растений табака и салата, а также влияние инокуляции цитокинин-продуци-рующих бактерий в ризосферу растений салата и индукции экспрессии ipt-гена, контролирующего накопление цитокининов в трансгенных растениях табака.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на растениях салата (Lactuca sativa L., сорт Lolla Rossa) и табака (Nicotiana tabacum L., сорт Petit Havana SR-1 и трансгенных N. tabacum L., сорт Petit Havana HS/P7). Трансгенная линия была получена путем трансформации растений табака бактериальным ipt-геном, находящимся под контролем промотора белка теплового шока Drosophila melanogaster [12].

Семена табака проращивали в лотках с почвой. После формирования у растений трех настоящих листьев их пересаживали по одному, два или три в вегетационные сосуды с 0.2 кг стерильного песка (объем сосуда 250 см3), пропитанного 33 мл раствора Хогланда—Арнона (5 мМ KNO3, 5 мМ Ca(NO3)2, 1 мМ KH2PO4, 1 мМ MgSO4). Растения росли в комнате 3 х 4 м с контролируемыми условиями при 14-часовой продолжительности светового дня, температуре 18—23°C и освещенности 420 мкмоль/(м2 с) ФАР (лампы HQIT 400N, "Osram", Великобритания).

Ежедневно растения поливали раствором Хогланда—Арнона и дистиллированной водой до достижения уровня 80% от полной влагоемкости песка (ПВ). Количество добавляемого питательного раствора соответствовало минимальной потере веса сосудами с растениями за счет эвапотранспи-рации (5—10 мл), а различия между сосудами нивелировались добавлением дистиллированной воды (3—5 мл). В течение суток содержание воды в субстрате изменялось в пределах 60—80% от ПВ. Через день после пересадки растения нагревали в термостате при 40° С в течение часа при одинаковой с контрольными растениями освещенности. Процедуру повторяли с 10:00 до 11:00 в течение 15 дней. Для определения содержания гормонов отбирали активно росшие 4- и 5-й листья и корни контрольных и опытных растений через 6 суток после пересадки по 1, 2 или 3 растения в один вегетационный сосуд. Время сбора образцов для определения гормонов было выбрано как непосредственно предшествующее периоду, когда индукция ipt-гена начинала модифицировать ответ транспирации на присутствие конкурентов (см. раздел РЕЗУЛЬТАТЫ).

Через 8 суток после пересадки листья не-трансформированных растений табака опрыскивали раствором синтетического цитокинина 6-бензиламинопурина (100 мкМ БАП), содержащим 0.04% детергента (Tween, "AppliChem", Германия), как описано ранее [13]. Листья контрольных растений опрыскивали раствором детергента без БАП.

Семена салата проращивали в чашках Петри; 3-суточные проростки пересаживали по 5 штук в горшки с 0.2 кг стерильного песка, пропитанного 100% раствором Хогланда—Арнона; 14-суточные растения (в фазе трех сформированных листьев) пересаживали по 1, 2 или 3 растения в один сосуд с 0.2 кг песка. Подкормку проводили, как и в случае с растениями табака, внося равные объемы раствора Хогланда—Арнона и поддерживая влажность почвы на уровне 60—80% от ПВ. Растения салата выращивали при 14-часовым фотопериоде, температуре 22—26°C днем и 18—20°C ночью и освещенности 420 мкмоль/(м2 с) ФАР. Через 2 дня после последней пересадки растений в ризосферу (под корень) вносили по 3 мл суспензии штамма Bacillus subtilis ИБ-22 из коллекции почвенных микроорганизмов Института биологии Уфимского научного центра РАН, характеризующийся высокой продукцией цитокининов [14].

После пересадки по 1, 2 или 3 растения сосуды с растениями салата и табака размещали вплотную друг к другу так, что в процессе их роста происходило смыкание листьев с образованием единого листового покрытия из расположенных рядом сосудов с разным количеством растений. На рис. 1 представлен внешний вид разросшихся растений салата. Площадь листьев растений салата и табака измеряли при помощи прибора автоматического определения площади Li-3100 ("Li-Cor Inc.", США). Индекс листового покрытия оценивали, анализируя фотографии с помощью программы Image J (National Institute of Health, США, http://imagej.nih.gov/ij/). Определение транспирации проводили гравиметрически по потере веса вегетационным сосудом, поверхность которого предварительно закрывали фольгой для предотвращения потери воды с поверхности песка. Устьичную проводимость оценивали с помощью автоматического порометра Мк 3 ("Delta-T Devices", Великобритания). Определение содержания цитокининов (суммы зеатина, его рибозида и нуклеотида) после экстракции и хроматографи-ческого разделения [15] проводили с помощью иммуноферментного анализа (ИФА) [16].

Содержание хлорофиллов определяли спек-трофотометрически в аликвоте 96% этанола, полученной из навески побегов [17]. Транспираци-онный коэффициент определяли как количество суммарного водопотребления за весь период на-

Рис. 1. Листовое покрытие расположенных рядом друг с другом одиночно растущих и растущих в группах в вегетационных сосудах растений салата через 8 суток после пересадки.

блюдений в расчете на единицу сформированной биомассы.

Вариационную статистику, ¿-тестирование и дисперсионный анализ проводили по данным трех независимых экспериментов по 5 биологических повторений в каждом, используя встроенные функции программы MS Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ

После пересадки растений табака их суммарная транспирация в расчете на все растения одного сосуда возрастала по мере роста растений, но первые 3—4 дня была одинаковой независимо от того, сколько растений (одно, два или три) было в каждом сосуде (рис. 2а). Растения, сгруппированные по 2 и 3 в одном сосуде, теряли в сумме столько же воды, сколько его испаряло растение, оказавшееся единственным в сосуде (без конкурентов-соседей). Это указывает на снижение транспирации каждым из растений, оказавшим-

ся в одном сосуде с конкурентами по сравнению с одиночно растущими растениями (рис. 2б). Поскольку сразу же после пересадки растения имели примерно одинаковую массу, очевидно, что в этот период сниж

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком